Factores que influyen en la capacitancia y medidas de la misma
Factores que influyen
Dado que la constante dieléctrica varía con la temperatura, sensores capacitivos son muy sensibles a los cambios ambientales, como la temperatura y la humedad; las fluctuaciones de temperatura durante el funcionamiento del sensor son las que más afectan al rendimiento.
Además, hay muchos factores externos que pueden afectar a los elementos de los sensores de nivel capacitivos debido a los efectos de borde.
El propio cuerpo humano genera una gran cantidad de capacitancia parásita, lo que puede interferir en la medición. Los sensores de nivel capacitivos presentan comportamientos no lineales debido a los efectos de borde.
KSLV605: cómo mejorar (solución)
Para evitar esos factores de influencia, diseñamos KSLV605 sensor de nivel capacitivo.
Cómo evitar los efectos de la temperatura
En las aplicaciones de detección del nivel de líquido, la compensación de temperatura resulta más complicada, ya que no podemos dar por sentado que el sensor no esté cubierto por líquido; puede estarlo hasta cualquier nivel y durante cualquier periodo de tiempo.
Por lo tanto, debemos compensar las variaciones de temperatura mediante el uso de algoritmos y diseños de sensores optimizados.
Este enfoque minimiza el impacto de la deriva térmica, que afecta a varios parámetros en un sistema de detección de nivel de líquido. En primer lugar, está la capacitancia que se va a medir.
La deriva afecta a otros parámetros del sistema, como el condensador de integración y la corriente que consume el motor de detección capacitiva.
Como consecuencia de estas variaciones, el recuento bruto también aumenta o disminuye debido a la temperatura (Fig. 2.1). Los circuitos de detección capacitiva convierten la capacitancia medida en un recuento digital, lo que se conoce como recuento bruto.
El eje X representa la temperatura; el eje Y, el recuento bruto
Hay dos formas posibles de resolver el problema:
1: Corregido compensación de temperatura condensador
Un condensador de compensación de temperatura es un sensor que presenta características similares a las de los demás sensores utilizados para detectar el nivel de líquido.
Sin embargo, no entra en contacto directo con el líquido. En otras palabras, este sensor no debe verse afectado por el nivel del líquido. El valor bruto de este condensador se utiliza como referencia para los sensores propiamente dichos.
Dado que el sensor de compensación de temperatura y el sensor real tienen las mismas características, el efecto de la temperatura sobre ambos sensores será el mismo.
De esta manera, el efecto de la temperatura en los sensores de detección de nivel de líquido puede eliminarse utilizando el sensor de compensación de temperatura como referencia.
Cabe señalar que la compensación de temperatura en el sensor de detección de nivel de líquido, mediante el sensor de compensación de temperatura, debe realizarse tanto cuando el tanque está vacío como cuando contiene líquido.
En caso de que se desconozcan la permitividad y la temperatura, se puede utilizar un sensor de referencia para sustituir la capacitancia de referencia.
La figura 2.2 muestra un ejemplo de un contenedor con dos placas sensoras y un sensor de referencia en la parte inferior. El objetivo es garantizar que el sensor de referencia mida el líquido incluso con un nivel de llenado bajo. Esta configuración genera mediciones métricas de relación. Esto significa que la relación entre el sensor de nivel y el sensor de referencia será siempre la misma, independientemente de las propiedades del material o de la temperatura.
En esta configuración, ambos parámetros afectarán a ambos sensores y, por lo tanto, se equilibrarán entre ellos.
2: Algoritmo de software en la línea de base
Los algoritmos de software para detectar el contacto de un dedo mediante sensores capacitivos incluyen una referencia que es una versión filtrada del recuento bruto. Esta referencia registra los cambios ambientales lentos en el recuento bruto y, por lo general, se denomina «línea de base».
La línea de referencia se utiliza para detectar la presencia de un dedo en el caso de la detección táctil. En la detección del nivel de líquido, la línea de referencia puede utilizarse para realizar un seguimiento de los cambios en el recuento bruto. La deriva de temperatura suele ser lenta; por lo tanto, su efecto sobre el recuento bruto también es lento.
En tales casos, si se utilizan valores adecuados para los parámetros de actualización de la línea de base, esta puede servir para compensar las variaciones de temperatura en el recuento bruto.
Si la temperatura influye muy rápidamente en el recuento bruto, se debe utilizar en su lugar un condensador de compensación de temperatura.
Un efecto secundario de la temperatura es la condensación. Un líquido cuya temperatura sea considerablemente más baja que la temperatura del aire ambiente puede provocar la formación de condensación en la superficie del sensor. La condensación puede provocar un aumento de la capacitancia, lo que, a su vez, provoca un mayor error.
La condensación durante los ensayos a bajas temperaturas puede reducirse aislando la superficie del sensor.
Otra opción consiste en dejar un pequeño espacio de aire aislante entre el recipiente de líquido y el sustrato del sensor. Para obtener un rendimiento óptimo, este espacio de aire no debe superar los 3 mm.
Cómo evitar los efectos de borde
El propio cuerpo humano puede introducir muchas capacitancias parásitas y, por lo tanto, alterar las mediciones.
El elevado contenido de agua del cuerpo humano provoca una diferencia de potencial entre las placas del sensor y, por lo tanto, influye en la medición.
Esta capacitancia parásita adicional se medirá y provocará una distorsión en la relación del nivel de llenado, tal y como se puede observar en la simulación de la figura 2.4.
Una forma de reducir las interferencias externas es instalar un blindaje alrededor del sensor de nivel, tal y como se muestra en la figura 13.
Un recipiente conductor adicional, que no está conectado a la toma de tierra del sensor, actúa como blindaje contra las capacitancias parásitas procedentes del exterior.
Es importante mantener la conexión a tierra del sensor y el recipiente aislados entre sí para que el sistema de medición quede aislado de la tierra del entorno.
